Хіміки створили нову періодичну таблицю для збільшення точності атомних годинників

Хіміки розробили нову періодичну систему хімічних елементів, яка заснована не на кількості протонів у ядрі атома, а на кількості електронів, які він може віддати. Коли атом віддає електрон або декілька, то стає сильно зарядженим іоном, який використовують у рентгенівських лазерах, лікуванні пухлин, вивченні плазми та атомних годинниках. Тож нова періодична система допомагає передбачити властивості таких іонів і вибрати той, що найбільше підходить меті дослідження. Статтю про розробку опублікували на сайті препринтів arXiv.

Нова періодична система, яка містить інформацію про електронну конфігурацію іонів, тобто кількість і розташування в них електронів. Lyu et al., 2025

Чому для дослідження іонів не підходить звичайна періодична таблиця?

Хоча класична періодична таблиця хімічних елементів містить інформацію про кількість електронів в атомах і навіть їх розташування на різних енергетичних рівнях навколо ядра, це розташування може змінюватися під впливом високоенергетичного, або іонізуючого випромінювання, через що виникають сильно заряджені іони. Деякі з таких змін трапляються часто, а деякі настільки рідко, що їх називають «забороненими» переходами чи лініями. Саме на таких переходах заснована робота оптичних атомних годинників.

Наприклад, якщо створити такий сильно заряджений іон і зафіксувати його в одному положенні за допомогою лазерів, то він буде стабільнішим за сучасні атомні годинники. Знаючи, яка ймовірність зміни розташування електронів у такому іоні, науковці зможуть розрахувати, як часто протягом певного періоду часу відбуватимуться ці зміни й таким чином точніше вимірювати час. За допомогою нової періодичної таблиці науковці виявили 700 теоретичних заборонених переходів в іонах різних елементів, які можуть знайти застосування у виготовленні атомних годинників. Деякі обрані науковцями іони за розрахунками вже перевершили точність сучасних атомних і навіть запланованого ядерного годинника, утім їхню реальну точність зможуть з’ясувати лише після створення повноцінних годинників на основі іонів.

Як науковці вимірюють час

🔭 Атомні годинники допомагають не лише точно вимірювати час, що важливо для навігації супутників і проведення фізичних досліджень, але й виявляти темну матерію.

🛰 Для того, щоб такі годинники забезпечували точну роботу віддалених супутників, один із них спершу випробували на орбіті, а потім — відправили до Венери.

🕙 Атомний годинник, робота якого заснована не на звичайних, а на квантово заплутаних атомах, виявився точнішим і швидшим за свої аналоги.

📖 Крім атомних, науковці планують також розробити ядерні годинники, які мають стати ще точнішими. Про того, хто зробив перше відкриття на цьому шляху, й інших топових науковців 2024 року ми розповідали в матеріалі «Рушії науки».